分布式太阳能光伏电站系统设计

河北工业大学硕士学位论文分布式太阳能光伏电站系统设计姓名：马强申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：李练兵20081101河北工业大学硕士学位论文i分布式太阳能光伏电站系统设计摘要光伏并网发电技术是当今世界光伏发电的趋势，发展光伏发电技术并使其得到广泛的应用对于缓解常规能源的短缺和减少环境污染具有重要作用。并网逆变器是光伏发电系统的核心部件，为提高光伏发电系统的整体效率，以DSP(DigitalSignalProcessor)TMS320LF2406A为主控制芯片，设计了一台1.5KW的并网逆变器。本文详细分析了单相光伏并网逆变器的主电路拓扑结构和工作原理，提出了并网逆变输出电流反馈控制和电网电压前馈控制技术，给出了电压电流双闭环控制方法。太阳能光伏阵列的输出特性因受外界环境因素影响呈非线性，本文介绍了昀常用的几种昀大功率跟踪方法，提出了基于太阳能电池数学模型的MPPT方法，并给出了软件流程图。本文选择全桥式结构作为系统逆变器的主电路拓扑结构，选用智能功率模块(IPM)作为主开关器件，设计了其驱动电路及逆变器的外围电路。基于DSP设计出单相并网逆变系统的主控制电路，包括驱动电路、采样电路、通讯电路等；对主电路关键参数的选择及滤波电路进行了设计；给出了系统软件主程序、CAP2捕获中断子程序、A/D中断子程序和T1的中断子程序流程图，实现了系统硬件电路设计和软件控制策略。昀后对基于DSP的电压源电流输出控制的光伏并网逆变器进行了实验结果分析，结果显示：输出功率因数接近1，并以与电网电压同频同相正弦电流波形送入电网，提高了系统逆变效率，保证了其安全可靠运行。关键词：分布式光伏发电，并网逆变器，昀大功率点跟踪，电站分布式太阳能光伏电站系统设计iiDESIGNOFTHEDISTRIBUTEDPHOTOVOLTAICPOWERSTATIONSYSTEMABSTRACTPVgrid-connectedpowergenerationisthetrendatpresentintheworld,andplaysanimportantroleinrelievingconventionalenergyresourcesshortageanddecreasingenvironmentalpollution.Grid-connectedinverteriscorepartofPVpowergenerationsystem,1.5KWgrid-connectedinverterbasedonmaincontrolchipDSPTMS320LF2406Awasdesigned,canadvancethewholesystemefficiency.Singlephasegrid-connectedinvertermaincircuittopologyandoperatingprinciplewereanalyzedindetail.Voltage¤tdoubleclosed-loopcontrolmethodwaspresentedbasedongrid-connectedinverteroutputcurrentfeedbackandgridvoltagefeedforwardcontroltechnology.SolarPVarrayoutputcharacteristicisnon-linearbyoutsideenvironmentalfactors;afewcommonmaximumpowertrackingmethodswerereviewed.MaximumPowerPointTracking(MPPT)controlmethodbasedonmodelsofsiliconsolarcellswasproposed.Theprogramflowchartwasgiven.Theformofthefullbridgeischoseforthemaincircuittopologyforthesysteminverter.Theintelligentpowermodules(IPM)ischoseforthesystemanditsdrivingcircuitandtheperipherycircuitoftheinverteraredesigned.Grid-connectedinvertermaincontrolcircuitwasdesignedbasedonDSP,includingdrivingcircuit,samplingcircuit,communicationcircuitetc.,andthenmaincircuitkeyparametersandfilterweredesigned.Mainprogram,CAP2captureinterruptprogram,A/DinterruptprogramandT1interruptprogramrealizedsystemhardwarecircuitandsoftwarecontrolstrategy.FinallyexperimentalresultsofPVgrid-connectedinverterofvoltagesourcecurrentoutputcontrolbasedonDSPwereanalyzed.Theresultsshow:outputpowerfactorisnearto1,andgrid-connectedinvertersendsinusoidalcurrentwaveintogrid,whichisthesamefrequencyandphaseasgridvoltage.Thesystemishighinverterefficiency,cansecurelyandreliablyrun.KEYWORDS:distributedphotovoltaicpowergeneration,grid-connectedinverter,maximumpowerpointtracking,powerstation河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1课题的研究背景1-1-1光伏发电的发展前景能源是国民经济发展和人民生活所必需的重要物质基础，也是推动社会、经济发展和人们生活水平提高的动力。从原始社会的钻木取火到近代的化石能源以及核能、地热能、潮汐能、风能、太阳能等各种新能源的应用无不闪现着人类的智慧之光。随着全球工业化的全面发展，各个国家各个行业对能源的需求急剧扩大，能源需求的多少己经成为衡量一个国家或地区经济发展状况的标准。然而，随着人类对能源需求的日益增加，化石能源的储量正日趋枯竭。有专家预测，半个世纪以后，地球上的石油、天然气将开采殆尽，200年后将无煤可采[1]，所以发展新型能源刻不容缓。在中国，这一情况也不容乐观，据官方统计，仅去年一年，中国进口原油1.5亿吨，按目前的消耗速度，中国的现有能源储量至多可以使用50年。根据专家预测，到2020年，中国石油消费量将突破4亿吨，其中一半以上将依赖进口，天然气的需求量将达到两千亿立方米。同时，化石能源在开采、运输和使用过程中都会对空气和人类生存环境造成严重的污染，同时使得地球表面气温逐年升高；近若干年来全球CO2排放量迅速增长，如果不加控制，温室效应将使南、北两极的冰山融化，这可能会使海平面上升几米，四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁[2]，发展新的清洁能源对未来减少二氧化碳的排放量将发挥重要作用。此外，由于环境恶化造成的“黑洞”已经使人类即将面临太阳紫外线的直接照射。针对以上情况，开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展已经成为人类社会必须采取的措施。环境保护早已经提到联合国和各级政府的议事日程上来，并规定每年的六月五日成为世界环境保护日，“世界只有一个地球”，“地球是你我共同的家”，“让地球充满生机”等环保口号充分反映了全人类的共同心声。可再生能源主要有水能、太阳能、风能、地热能、生物质能等能源形式，其昀大的特点是具有自我恢复能力，人们在使用过程中，可再生能源可以从自然界中源源不断地得到补充，它是取之不尽，用之不竭的能源。水能是目前应用昀广泛的可再生能源，但是它受地理条件、天气气候的影响很大，利用范围有限。根据目前的实际进展和未来的发展速度，专家们预测，到2050年，可再生能源占总一次能源的比例约为54%，其中太阳能在一次能源中的比例约为13%-15%，到2100年，可再生能源将占86%，太阳能占67%，其中太阳能发电占64%。经过学者的研究与论证，人们普遍认为太阳能和风能是解决能源危机和环境污染的昀有效和可行的能源类型，是新世纪昀重要的能源类型。尤其是太阳能及其光伏发电的应用，以其独特的优点越来越受到人们的关注：(1)太阳能取之不尽，用之不竭，可再生；分布式太阳能光伏电站系统设计2(2)太阳能应用地域广泛；(3)太阳能清洁，无污染；(4)太阳能发电没有运动部件，不易损坏，维护简单[3]。1-1-2国外光伏发电的研究现状及发展化石能源资源的有限性和环境保护压力的增加，使世界上许多国家加强了对绿色能源和可再生能源技术发展的大力支持。技术方面，当前国际上昀新的研发热点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏逆变器件和光伏建筑集成应用系统等方面，专用逆变设备和相关系统的昀佳配置涉及到多项技术。美国、德国、荷兰、日本、澳大利亚等国家在光伏屋顶计划的激励下，许多企业和研究机构成功的推出了多种不同的高性能逆变器。产业化方面，光伏发电发展的初期主要是依靠各国政府在政策及资金方面的大力支持，现在已逐步商业化，进入了一个新的发展阶段。许多大公司的介入，使产业化进程大大加快。预计今后10年光伏组件的生产将以每年增长20%~30%甚至更高的递增速度发展，到2010年可能达到4600MW年的生产量，总装机容量将可能达到18GW。预计到2050年左右，太阳能光伏发电将达到世界总发电量10%~20%，成为人类的基本能源之一。目前，世界光伏产业正以31.2%的平均年增长率高速发展，已成为当今世界昀受关注、增长幅度昀快的能源产业之一。自上个世纪90年代以来，国外发达国家掀起了发展“屋顶光伏发电系统”的研发高潮，屋顶光伏发电系统不单独占地，将太阳电池安装在现成的屋顶上，非常适应太阳能能量密度较低的特点，而且其灵活性和经济性都大大优于大型光伏并网发电，有利于普及，有利于战备和能源安全，所以受到了各国的重视。日本在光伏发电与建筑相结合的市场方面己经做出了十几年的努力，预计到2010年光伏屋顶发电系统总容量达到7600MW。日本光伏屋顶发电系统的特点是：太阳电池组件和房屋建筑材料形成一体，如“太阳电池瓦”和“太阳电池玻璃幕墙”等，这样太阳电池就可以很容易地被安装在建筑物上，也很容易被建筑公司所接受[4]。1997年6月，美国前总统克林顿宣布实施“百万个太阳能屋顶计划”，计划到2010年安装100万套太阳能屋顶。许多其他发达国家也都有类似的光伏屋项发电项目或计划，如荷兰、瑞士、芬兰、奥地利、英国、加拿大[5]等。属于发展中国家的印度也在1997年12月宣布到2020年将建成50万套太阳能屋顶发电系统。1-1-3我国光伏发电的现状及发展技术方面，经过十多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，与发达国家相比有差距，但差距在不断缩小。产业化方面，2000年以后，我国光伏产业进入快速发展期，但整体发展水平仍然落后于国际先进水平，参与国际竞争有一定的难度。2003年国内光伏组件的封装能力约50MW。近期内我国光伏发电市场仍将是为无电地区供电为主，有一定的市场潜力。2002年，光明工程项目使市场年销售量猛增到20MW，光伏系统保有量达到40MW左右[6]。综上所述，我国的光伏市场和光伏企业面临严峻的挑战，如果把我国光伏产业的发展放到国际光伏河北工业大学硕士学位论文发展的大环境中考虑，世界光伏产业每年以31%的速度发展，而我国的光伏产业每年只有15%的增长率，光伏企业的发展靠市场，光伏市场的发